Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Fisika Induksi Elektromagnetik Akibat dari Fisika Listrik
Abstrak
Induksi elektromagnetik terjadi karena adanya aliran listrik pada medan magnet. Fisika listrik
mempelajari tentang arus dalam induksi elektromagnetik. Arus mengandung kuat dan daya.
Kekuatan dan daya pun akan mempengaruhi aliran fluks magnet. Bisa juga fluks itu dibuat aliran
searah dan bolak-balik. Fisika listrik menyebabkan kejadian elektromagnetik terjadi.
Kata kunci: induksi elektromagnetik, aliran listrik, medan magnet, Fisika listrik, arus, kuat, daya,
aliran fluks magnet, aliran searah, bolak-balik.
Abstract
Electromagnetic induction happens when the electric wave happens in magnet conduction.
Electric physics studies about wave in electromagnetic induction. Wave contains power and
work. Power and work will effect to the magnet flux wave. It can flux which makes from linear
and irreversible wave. Electric physics causes electromagnetic phenomena happen.
Keyword: electromagnetic induction, electric wave, magnet conduction, Electric Physics, wave,
power, work, magnet flux wave, linear wave, irreversible.
Introduction
Induksi elektromagnetik memfungsikan antara aliran listrik dan kuat medan fluks
magnet. Fisika listrik berhubungan dengan dasar elektromagnetik pada arusnya. Alat yang
digunakan ada searah dan bolak-balik.
Menurut buku Top One Fisika, Fisika listrik adalah cabang yang mempelajari tentang
energy listrik. Listrik ada yang statis dan dinamis. Muatan listrik adalah proton dan electron.
Benda bermuatan listrik jika jumlah electron dan proton tak seimbang ditulis oleh Fahamsyah
(2018, p. 387).
Penelitian ini dibagi ke dalam 3 tahap dengan tujuan mendapatkan hubungan relasi antara
listrik dan magnet. Tahap pertama dasar Fisika listrik, tahap kedua adalah menentukan medan
magnet, tahap ketiga adalah melihat arus searah dan bolak-balik.
Literature Review
A. Listrik dalam FisikaMenurut Fokus UN, listrik terdiri dari:
a. Hukum Coulomb
Antara dua muatan listrik terdapat gaya elektrostatis yang besarnya sebanding dengan
muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak.
F=Qqr2 ;k= 1
4πεo
F=besar gaya elektrostatis yang timbul jika dua muatan didekatkan (N).
Q=q=besar muatan sumber ©.
R=jarak kedua muatan (m).
K=konstanta dielektrik medium di sekitar kedua muatan (9 x109N m2/N 2¿
εo=permitivitas listrik darimedium di sekitar keduamuatan(8,85 x 10−12C 2N m2)
Kuat medan listrik adalah gaya persatuan muatan.
E=FQ
=k Qr2
E=kuatmedan listrik ( NC
)
Q=muatan sumber (C ) .
q=muatanuji untukmengentahui kekuatanmedan listrik yangditimbulkanolehmuatanQ (C ) .
Kuat medan listrik segaris:
Ep=E1+E3−E2
Kuat medan listrik dengan sudut tegak lurus:
E=√E12+E22
Arah E dapat ditentukan dengan:
α=tan E2E1
atauα=sin E2E1
terhadapE1
b. Hukum Gauss
Jumlah garis-garis gaya listrik yang menembus suatu bidang tegak lurus.
Nilai fluks listrik adalah:
ϕ=EAcosθ
ϕ=fluks listrik (Wb)
E=kuatmedan listrik ( NC
)
θ=sudut antaraE dannormal bidang
Besarnya perpotongan garis bidang listrik:
ϕ= qεo
c. Potensial Listrik dan Energi potensial listrik
Potensial listrik adalah besaran scalar yang menyatakan energy potensial pada medan
listrik.
Energi potensial listrik adalah usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan
dari satu posisi ke lain dalam medan listrik.
EP=k Qqr
Potensial listrik suatu titik
V=k qr
Kapasitor menyimpan muatan listrik atau energy listrik.
Q=CV W=12QV=1
2CV 2=1
2Q2
CC=kεo A
d
Rangkaian kapasitor adalah:
CP=C 1+C 2+…
1Cs
= 1C 1
+ 1C2
+…
Hukum Kirchoff menjelaskan arus listrik pada rangkaian tertutup dan bercabang:
bercabang :∑ Imasuk=∑ Ikeluar
looptertutup :∑ ε+∑ I (R+r )=0
Kesemua hokum diatas adalah dasar dari Fisika listrik disadur dari buku Taryo (2019,
pp. 486-489).
B. Induksi ElektromagnetikDari buku The King SNMPTN, maka induksi terdiri dari:
a. Medan magnet
B= μoI2πa
μo=permeabilitas ruanghampa=4 πx 10−7WbAm
I=kuat arus A
A= jari-jari kawat m
B=induksi magnet(Wb
m2atauT ¿
B= μoNIasinα2 r2
N=banyaknya lilitan
A=jari-jari kawat m
B= μoI2a
B= μoIN2 L
L=panjang solenoid m
B= μoINL
B= μoIN2 πr
R=jari-jari toroida m
b. Gaya Lorentz
F=BILsinα
α=sudut antara I dan B
B= induksi magnet T
F=gaya Lorentz N
I=kuat arus A
L=panjang kawat m
F=Bqvsinα
q=muatan listrik C
V=kecepatan muatan m/s
α=sudut antara B denganv
r=mvBq
R=jari-jari lintasan muatan m
M=massa muatan kg
Fl= μoI 1 I 2
2 πa
L=panjang kawat m
I1I2=kuat arus pada masing masing kawat A
A= jarak kedua kawat
F= gaya Lorentz N
c. Induksi elektromagnetik
εinduksi=−N ∆ ϕ∆ t
atau ε=−Blvsinθ
N=jumlah lilitan
∆ ϕ=perubahan fluksmagnet Wb
B=induksi magnet Wbm2
Δt=perubahanwaktu s
l=panjang kawat ABm
v=kecepatan batang AB m/s
εinduksi=GGLinduksiV
θ=sudut antara arahv terhadaparah B
F= gaya Lorentz N
εs=−L Δ IΔt
L=NϕI
εs=GGLinduksi diriV
Δ I=I 2−I 1=perubahan arus A
N=banyak lilitan
Δt=perubahanwaktu s
ϕ=fluksmagnet Wb
L=induktansi diri H
I=kuat arus A
L= μo N2 AI
I=panjang solenoid m
A=luas penampang m2
L=induktansi diri H
μo=permeabilitas dalamruanghampaWb/ Am
W=12L I 2
W=energi yang tersimpandalam induktor J
ϕ=BAcosθ
ϕ=fluksmagnet
A=luas bidang yang ditembus m2
θ=sudut datang antaraBdenganbidangnormal A
d. Penerapan hokum Faraday
VpVs
=NpNs
= IsIp
Vp=tegangan primer V
Is=kuat arus sekunder A
Np=jumlah lilitan pada kumparan primer
Vs=tengangan sekunder V
Ip=kuat arus primer A
Ns=jumlah lilitan kumparan sekunder
η=PoutPin
x100 %= VsIsVpIp
x100 %
Pin=daya yang masuk W
Pout=daya yang keluar W
η=efisiensi transformator
ε=εmakssinωt
εmaks=NBAω
εmaks=ImaksR
εmaks=GGLmaksimumV
ω=kecepatan sudut=frekuensi anguler rads
N=banyak lilitan
A=luasbidang penampangm2
B=induksi magnetik T
R=hambatan ohm
Imaks=kuat arus maksimum A
Semua rumus diatas adalah dasar magnet pembentuk teori Fisika listrik disadur
dari Rustam (2019, pp. 105-107).
C. Arus searah dan bolak-balikMenurut buku detik detik UN, penerapan alat pada arus listrik adalah:
a. Rangkaian hambatan searah
R=ρ lA
ρ=hambat jeniskawat Ωm
l=panjang kawat m
A=luas penampang kawat m2
Rseri=R1+R2+R3+…+Rn
V=V 1+V 2+V 3+…+Vn
I=I 1=I 2=I 3=…=¿
1Rp
= 1R1
+ 1R2
+ 1R3
+…+ 1Rn
I=I 1=I 2=I 3=…=¿
V=V 1+V 2+V 3+…+Vn
b. Rangkaian listrik bolak-balik
VR=VMsinωt
VL=VMsin(ωt+ π2)
VC=VMsin(ωt−π2)
V=√VR2+(VL−VC )2
V=IMZsin (ωt+φ)
Z=√R2+ (XL−XC )2
XL=ωL=2 πfL
XC= 1ωC
= 12 πfC
V=tegangan sesaat
Vm=tegangan maksimal
VR=tegangan sesaat pada resistor V
VL=tegangan sesaat pada inductor V
VC=tegangan sesaat pada kapasitor V
φ=beda sudut fase tegangan danarus
Z=impedansi rangkaian Ω
XL=reaktansi inductor Ω
XC=reaktansi kapasitor Ω
L=induksi inductor H
ω=kecepatan sudut rad /s
C=kapasitansi kapasitor F
R=resisteansi hambatan Ω
Semua rumus diatas dipakai untuk menentukan jenis arus yang lewat disadur dari
Chasanah, Prihantina, & Sururi (2019, pp. 59,63).
Research MethodologyPenelitian ini bersifat kuantitatif. Dari penelitian ini akan membuktikan bahwa
magnet ada hubungannya dengan arus listrik.
Data Analysis and InterpretationA. Listrik dalam Fisika
Listrik dalam Fisika dibedakan menjadi statis dan dinamis:
Dua buah partikel bermuatan berjarak R satu sama lain dan terjadi gaya tarik-menarik sebesar F.
Jika jarak antara kedua muatan dijadikan 4 R, tentukan nilai perbandingan besar gaya tarik-
menarik yang terjadi antara kedua partikel terhadap kondisi awalnya!
Gaya Tarik menarik diatas penyebabnya adalah partikel yang saling berbeda muatan,
hokum ini berlaku pada hokum Coulomb listrik statis:
F=k q1q2r2
F 2F 1
=( r 1r 2 )
2
F2=( r 1r 2 )
2
xF 1
F2=( R4 R )
2
xF
F2= 116
F
Jika ada 3 buah muatan dalam satu tangkai listrik, maka:
Tiga buah muatan A, B dan C tersusun seperti gambar berikut!
Jika QA = + 1 μC, QB = − 2 μC ,QC = + 4 μC dan k = 9 x 109 N m2 C− 2 tentukan besar dan arah
gaya Coulomb pada muatan B !
Penyelesaian dari soal itu adalah:
FBA=k qBqAr2 AB
=9 x109 (2. 10−6)(10−6)12 =18x 10−3 N
FBC=k qBqCr2BC
=9 x109 (2.10−6)(4. 10−6)12 =72x 10−3N
Ftotal=FBC−FBA=72 x10−3−18 x10−3=54 x10−3N
Pada soal diatas ada 3 muatan, muatan A dan B mengarah ke kiri, dan muatan BC
mengarah ke kanan. Kedua garis berlawanan arah sehingga disebut tolak menolak.
Soal diatas berhubungan dengan listrik dinamis, penyelesaiaannya adalah:
i 8= i5 R4R8+R4
I= i 548+4
i5=3 I
Soal diatas menunjukkan bahwa kuat arus pada hambatan 5 adalah jumlah arus pada
hambatan 4 dan 8.
Soal diatas adalah penerapan alat ukur kuat arus listrik, penyelesaian sebagai berikut:
R= rdn−1
= 0,910−1
=0,1 paralel
Soal diatas adalah bentuk soal dari listrik dalam konsep dasar Fisika yang merupakan
sumber kuat arus daripada induksi electromagnet.
B. Induksi ElektromagnetikInduksi elektromagnetik adalah sebagai akibat dari aliran listrik yang mengalir
pada magnet, jenisnya adalah:
Sebuah kumparan memiliki jumlah lilitan 1000 mengalami perubahan fluks
magnetik dari 3 x 10−5 Wb menjadi 5 x 10− 5 Wb dalam selang waktu 10 ms.
Tentukan ggl induksi yang timbul!
Maksud dari soal itu adalah fluks magnetic bias mengalami perubahan dalam
induksi elektromagnetik tergantung pada jumlah lilitan yang dimiliki pada
generator dan juga banyaknya arus listrik yang masuk:
E=N ∆ ϕΔt
=1000 x 2 x10−5
10 x10−3=2V
Fluks magnetic dipengaruhi oleh banyak lilitan, kekuatan fluks listrik, dan juga
selang waktu berbanding terbalik, soal jenis lain:
Perhatikan gambar berikut!
Kawat AB terletak pada medan magnet 0,5 T. Bila kawat digeser ke kanan dengan kecepatan 4
m/s, tentukan besar GGL induksi yang terjadi dan arah arusnya!
GGL induksi terjadi karena pemindahan muatan dengan laju tegangan yang
berbeda dalam satu medium pipa AB, GGL ini akan menghasilkan gaya gesek
yang dimana akan mempengaruhi gesekan susunan muatan yang terdapat dalam
benda:
ε=BlV=0,5.0,5 .4=1V
GGL induksi dipengaruhi oleh panjang pipa medium, laju tegangan, dan juga
besar kuat medan magnet. Adapula jenis induksi lain:
Suatu kumparan memiliki jumlah lilitan sebanyak . Jika arus listrik
yang mengalir pada kumparan tersebut sebesar dan fluks magnet
yang terbentuk sebesar , maka induktansi diri dari kumparan tersebut
adalah…
a.
b.
c.
d.
e.
Magnet mampu menginduksi dalam dirinya dengan membentuk gaya induktansi
diri dimana arus listik akan mengalir pada lilitan kawat dan mempengaruhi gaya
listrik pada medan magnet, sehingga magnet akan berfungsi:
L= NϕI
=(123)(5,55)(3,33)
=205 H
Rumus induktansi diri dipengaruhi oleh jumlah lilitan, fluks magnetic, serta
berbanding terbalik dengan kuat arus. Juga adapun jenis induksi lain:
Bola konduktor adalah salah satu contoh GGL induksi dimana induksi terkuat
terletak pada putaran sudut rentang jari-jari lingkaran:
ε=2πfB l2=2 (3,14 ) (5 ) (0,3 ) (0,8 )2=6V
Semua soal diatas adalah soal yang berhubungan dengan induksi elektromagnetik
akibat aliran listrik dan menghasilkan kuat arus medan magnet.
C. Penerapan Listrik Searah dan Bolak BalikArus listrik ada yang diterapkan searah dan bolak balik:
Sebuah alat pemanas air 200 watt, 220 volt yang dipasng pada sumber tegangan
110 volt, menyerap daya listrik sebesar ....
a a. 400 watt
b b. 200 watt
c c. 100 watt
d d. 75 watt
e e. 50 watt
Alat pemanas listrik menerapkan arus searah, dimana alat listrik juga menyerap
daya listrik:
P1P2
=V 1V 2
200P2
=220110
P2=100W
Daya listrik yang dihasilkan arus searah merupakan hasil daripada penyerapan
energy listrik searah yang diterapkan oleh kuat arus rangkaian searah, soal
selanjutnya:
Sepotong kawat memiliki jari-jari yang dimana merupakan ukuran dari panjang
titik kawat ke titik lain sehingga arus akan mengalir melalui jari-jari dan
menghasilkan listrik yang searah dengan panjang kawat itu:
R= ρLA
= ρLπ r2
R1R2
= L1L2 ( r 2
r 1 )2
2R2
= L12 L1 ( 2r 1
r 1 )2
R2=1
Soal selanjutnya ada arus listrik yang bolak-balik arahnya:
Sebuah hambatan 600 , induktor 1000 dan kapasitor 200 disusun seri. Jika
susunan ini dihubungkan dengan sumber tegangan AC 100 V, maka daya
rangkaiannya adalah….Watt
Z=√(XL−XC )2+R2=(1000−200)2+6002=1000
i=VzZ
= 1001000
=0,1 A
P=VI=100.0,1=10W
Dari rangkaian bolak balik diatas menandakan bahwa kuat arus sama dengan
semula, tetapi hambatan yang diterima setiap tempat pun berbeda. Soal
selanjutnya:
Perhatikan gambar rangkaian listrik berikut !
Jika tegangan maksimum sumber arus bolak-balik = 200 V, maka besar kuat arus maksimum
yang mengalir pada rangkaian adalah....
A. 1,5 A
B. 2,0 A
C. 3,5 A
D. 4,0 A
E. 5,0 A
Dari arus maksimum yang mengalir pada rangkaian bolak-balik sama dengan rumus pada rangkaian
searah, hanya hambatan per benda saja yang berbeda:
Z=√R2+(XL−XC )2=602+(120−40)2=100
ℑ=VmZ
=200100
=2 A
Soal diatas menggambarkan arah arus pada listrik yang bias dipakai dalam induksi elektromagnetik.
ConclusionArah aliran arus listrik, tegangan, dan hambatan mempengaruhi kemagnetan dan besar medan
magnet yang terjadi.
BibliographyChasanah, R., Prihantina, E., & Sururi, A. M. (2019). Detik Detik UN Fisika 2020. Yogyakarta: Intan
Pariwara.
Fahamsyah, S. (2018). Top One Buku Pintar Fisika. Jakarta: Bintang Wahyu.
Rustam. (2019). The King SNMPTN IPA. Yogyakarta: Forum Tentor Indonesia.
Taryo. (2019). Erlangga Fokus UN SMA IPA. Jakarta: PT Gelora Aksara Pratama.